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Bild 1: Spezielle LED-Kühlkörper in runder Formgebung sind relativ einfach über eine mechanische CNC-Nachbearbeitung auf kundenspezifische Erfordernisse anzupassen. (Bild: Fischer Elektronik)

Eckdaten

Zu hohe LED-Temperaturen beziehungsweise der Betrieb einer LED in einem nicht vom Hersteller vorgegebenen Temperaturbereich, hat einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer einer LED. In seinem Artikel beschreibt der Autor was eine gute LED-Beleuchtung ausmacht und wie sich eine gute LED-Beleuchtung zusammensetzt.

Starke Temperaturschwankungen von LEDs verkürzen die Betriebsdauer erheblich und eine Überschreitung der zulässigen Chiptemperatur wirkt sich ebenfalls unmittelbar auf die Lichtausbeute aus. Eine Reduzierung der LED-Chiptemperatur um zirka 10 °C kann die Lebensdauer der LED in etwa um den Faktor 3,5 erhöhen.

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Bild 1: Spezielle LED-Kühlkörper in runder Formgebung sind relativ einfach über eine mechanische CNC-Nachbearbeitung auf kundenspezifische Erfordernisse anzupassen. Fischer Elektronik

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Bild 2: Der massive Vollkern zur LED-Aufnahme ermöglicht gleichfalls eine Integration der LED inklusive ihrem Reflektor. Fischer Elektronik

Nicht nur die LED alleine ist verantwortlich für die Qualität des Lichtes, da sich dieses aus mehreren Funktionsbausteinen gestaltet. Hierbei bilden unter anderem die Stromversorgung der LED, die Optik der LED zur Bündelung oder Streuung des Lichtes und insbesondere auch, der thermische Haushalt der LED, in Form eines effizienten Wärmemanagements einen elementaren Bestandteil. Die anorganische LED gehört technisch zur Produktgruppe der Elektrolumineszenz-Strahler, ebenso wie die altbekannten Leuchtstoffröhren, welche keine zusätzliche Entwärmung benötigen.

Dieser Eindruck suggeriert dem LED-Anwender oftmals, dass auch für die LED keine weitere Entwärmung nötig sei. Lediglich 35 Prozent der aufgebrachten elektrischen Energie werden nach heutigem Stand der LED-Technologie in Lichtleistung umgewandelt. Der größere restliche Anteil ist Verlustwärme, welche ebenfalls wie bei herkömmlichen Halbleitern, unbedingt zur Verlängerung der Bauteillebensdauer durch ein wirkungsvolles Wärmemanagement an die Umgebung abgeführt werden muss.

Passive Entwärmungsmethode

In vielen lichttechnischen Applikationen finden spezielle LED-Kühlkörper in runder Formgebung (Bild 1) oftmals ihre Anwendung. Nicht nur aufgrund der passiven und somit geräuschlosen Entwärmungsmethode ist diese Art der Ausführung gefragt und im Einsatz. Die sternförmigen Aluminiumkühlkörper werden im sogenannten Strangpress- oder Extrusionsverfahren hergestellt. Aluminiumprofile in runder Formgebung sind durch relativ geringe Werkzeugkosten zu realisieren und ergeben ebenfalls einen echten Mehrwert für den Anwender in punkto spezifischer Wärmeleitfähigkeit, Gewicht sowie der mechanischen Festigkeit in Relation zum Wärmeableitvermögen.

Verschiedenartige Varianten besitzen zur LED-Aufnahme einen massiven Aluminiumvollkern. Hierüber wird die von der LED abgegebene Wärme aufgenommen und homogen in die einzelnen Kühlrippen mit angepasster Rippengeometrie verteilt. Der Aluminiumvollkern zur LED-Aufnahme ermöglicht des Weiteren die Designfreiheit für den Anwender, die LED mit dem dazugehörigen Haltesystem und auch Reflektor sowie der Optik durch eine zusätzliche mechanische Nacharbeit direkt in dem ausgefrästen Vollkern zu verbauen (Bild 2). Das effiziente, speziell auf die LED-Entwärmung angepasste Kühlkörperkonzept, wird somit zu einem wichtigen und integralen Bestandteil des Leuchtendesigns, wobei der eigentliche LED-Kühlkörper sein äußeres Erscheinungsbild von einem Industrieteil zu einem vorzeigbaren Designelement ändert. Zusätzliche optisch unterstützende Verfahren zur Verbesserung der Optik des LED-Kühlkörpers sind durch verschiedenartige Oberflächengestaltungen in Form von Eloxieren, Lackieren oder Pulverbeschichtungen sowie durch mechanisch herbeigeführte Strukturen, wie Schleifen oder Glasperlenstrahlen, gegeben.

Runde Formgebung

Die speziellen LED-Kühlkörper in runder Formgebung sind auf die jeweiligen LED-Typen und deren technische Parameter abgestimmt. Mechanische CNC-Nacharbeiten beziehungsweise Modifikationen nach kundenspezifischen Vorgaben, um die Kühlkörper exakt an das gewünschte Leuchten-Design anzupassen, werden von den Anwendern mehr denn je gefordert. Sollte kein passender LED-Kühlkörper für die Applikation gefunden werden, zum Beispiel aufgrund der Designanforderungen oder technischer Parameter, besteht die Möglichkeit, ein extra angefertigtes Sonderprofil einzurichten, aber auch seinen eigenen LED-Kühlkörper individuell zu gestalten (Bild 2 unten rechts).

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Bild 3: Kühlkörper für lineare LED-Module ermöglichen die Verwendung von starren oder flexiblen Modulen, auch mit größeren Verlustleistungen. Fischer Elektronik

Neu entwickelte Fertigungstechnologien ermöglichen individuell gestaltbare LED-Kühlkörper. Hierbei besteht die Aufnahme zur LED, ebenfalls wie bei den Strangpressprofilen, aus einem massiven Aluminiumvollkern. Der Vollkern kann auf die jeweilige Größe der LED und deren Haltersystem angepasst werden. Umlaufend enthält der Vollkern eine besondere Nutgeometrie, welche über spezielle Bearbeitungsmaschinen eingebracht wird. In einem weiteren Arbeitsgang werden nun einzelne Aluminiumbleche verpresst, die in ihrer Gesamtheit die Rippengeometrie des Kühlkörpers darstellen. Neben dem Einpressverfahren sorgt ein zusätzlicher Wärmeleitkleber für eine optimale Kontaktierung der Aluminiumbleche mit dem Vollkern. Darüber hinaus vermeidet der Wärmeleitkleber Lufteinschlüsse und bewirkt somit kleinste Wärmeübergangswiderstände.

Die Gestaltung des LED-Kühlkörpers kann in punkto Kerndurchmesser zur LED-Aufnahme, der Rippenanzahl, -dicke und -geometrie, relativ einfach und flexibel auf sämtliche LED-Module und -Größen angepasst werden. Die Ausführung des Aufnahmekerns aus Kupfer zur Wärmespreizung, verschiedenartige Oberflächenausführungen sowie jegliche mechanische Bearbeitungen sind gleichfalls realisierbar. Abschließend bleibt festzuhalten, dass individuelle LED-Kühlkörperlösungen ohne großen Aufwand und zusätzliche Werkzeugkosten, auch für kleinere Stückzahlen, speziell nach kundenspezifischen Vorgaben und applikationstechnischen Erfordernissen umzusetzen sind.

Auch sogenannte LED-Linearmodule benötigen bei größeren Verlustleistungen ein effizientes thermisches Management. Leuchten, welche aus LED-Linearmodulen aufgebaut sind, finden zum Beispiel häufig ihre Anwendung in den Bereichen Industriedesigns, Architektur, Möbelindustrie oder auch in der Werbung. Die einseitig offenen U-förmigen Kühlkörper (Bild 3) verfügen über integrierte Führungsnuten zur Aufnahme von starren oder flexiblen LED-Line-Modulen und einschiebbaren Deckblechen oder Plexiglasscheiben, welche in ihrer Materialstärke variieren können. Linearmodule mit einer einseitigen Klebemöglichkeit können ebenfalls auf dem dafür vorgesehenen Kühlkörperboden aufgeklebt werden. Die Fixierung der Plexiglasscheiben und der LED-Linearmodule erfolgt durch stirnseitig angebrachte Deckelplatten, die ebenfalls direkt mit dem Kühlprofil befestigt werden können. Die stirnseitig verschraubten Deckelplatten sind auch nach kundenspezifischen Vorgaben anzupassen, sodass zum Beispiel über eine Abwickelung das Gesamtmodul als Tisch- oder Deckenleuchte zu verwenden wäre. Die Wärmeableitung der aufgenommenen Wärme an die Umgebung wird bei den unterschiedlichen Ausführungen durch eine außenliegende, je nach Leistungsklasse angepasste Kühlrippenstruktur, gewährleistet. Im Standardsortiment enthaltene verschiedenartige Varianten in unterschiedlichen Längen- und Oberflächenausführungen runden das Produktportfolio ab.

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Bild 4: Hochwärmeleitende Kontaktmaterialien zwischen der LED und dem Kühlkörper gewährleisten bei richtiger Anwendung kleinste Wärmeübergangswiderstände. Fischer Elektronik

Nachdem das thermische Management zur LED-Entwärmung fachgerecht ausgewählt und angepasst worden ist, gilt es ebenfalls die Anbindung der LED an die Wärmesenke optimal zu gestalten. Diese spielt eine entscheidende Rolle, da sich bei einem schlechten Wärmeübergang von der LED zum Kühlkörper, die Wärmeleitung beziehungsweise der Wärmedurchgang reduziert und folglich die LED-Temperatur steigt. Bekanntermaßen hat ein Temperaturanstieg wiederum einen direkten Einfluss auf die Funktion und Lichtleistung der LED. Angepasste thermische Übergangswiderstände bedürfen allerdings im Vorfeld einer genauen Betrachtung der durch die Fertigungsprozesse entstandenen Toleranzen.

Unebenheiten und Rauigkeiten sowie Lufteinschlüsse müssen zwischen Kontaktstelle, LED und Kühlkörper egalisiert werden, da diese den Wärmetransport signifikant verschlechtern. Für eine gute thermische Funktionalität ist ein guter thermischer Wärmeübergang zwischen LED und Kühlkörper ein sehr wichtiger sowie nicht zu vernachlässigender Faktor.

Geringe Wärmeübergangswiderstände

Sogenannte Wärmeleitmaterialien, auch Thermal Interface Material genannt (Bild 4), bieten bei richtiger Verwendung sehr gute Lösungsansätze, um die thermischen Wärmeübergangswiderstände so gering wie möglich zu halten. Erfolgt die Befestigung der LED auf der planebenen Montagefläche mittels Schrauben oder auch mithilfe des dazugehörigen Haltersystems, so sind besonders dünne Wärmeleitmaterialien anzuraten. Hierfür liefern Aluminium-, Kapton-, Grafit- oder Phase-Change-Wärmeleitfolien ausgezeichnete Lösungsmöglichkeiten. Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, die COB direkt auf dem Kühlkörper mittels doppelseitig klebender Wärmeleitfolien auf Polyimidbasis oder zwei-komponentigen-Epoxydharzklebern zu verkleben.

LED-tauglich

Unabhängig von der Wahl des TIM (Thermal Interface Material) ist jedoch unbedingt darauf zu achten, dass diese Materialien LED-tauglich beziehungsweise für die Applikation geeignet sind und keine flüchtigen organischen Verbindungen (VOC = Volatile Organic Compounds) ausdünsten. Im ungünstigsten Fall können sich die ausgegasten Bestandteile auf der Linsenoberfläche der LED niederschlagen und erhebliche Defekte hervorrufen. Zur Gewährleistung einer langfristigen und einwandfreien Funktion der Kombination aus LED, Kühlkörper und Wärmeleitmaterial, sollten die zur Verfügung stehenden Wärmeleitmaterialien unter Beachtung ihrer jeweiligen Spezifika betrachtet und ausgewählt werden.

Neben einer guten Wärmeleitfähigkeit und einer der Applikation angepassten Materialstärke sind weitere Entscheidungskriterien zur richtigen Wärmeleitmaterialauswahl, wie zum Beispiel die elektrische Isolierung oder Leitfähigkeit, der Temperaturbereich, die Spannungsfestigkeit (Durchschlagsfestigkeit), die chemische Zusammensetzung (Umweltverträglichkeit) sowie die Flexibilität (Shore-Härte), zu betrachten beziehungsweise zu berücksichtigen. Gleichfalls müssen die eingesetzten Materialien eine leichte Handhabung, eine gute Alterungsbeständigkeit und eine lange Lebensdauer aufweisen.

Jürgen Harpain

Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik, Lüdenscheid

(ah)

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